浅谈智慧城管视域下城市道路监测预警系统

章红明 方利红

浙江网新帮德信息服务有限公司 浙江 杭州 310000

引言

近几年，多地区频繁出现暴雨天气，强降雨引发了交通堵塞、道路水淹、河水倒灌等现象，内涝灾害严重影响了城市居民的正常出行。同时，随着私家车的持有量持续增长，道路承载量大幅增长。地下市政管线呈现出复杂化的结构体系，轨道交通系统的分布也越来越密集。在上述问题的共同作用下，城市道路病害发生率有所升高，包括富水体、疏松体、空洞、脱空等。道路因地下病害体而产生了塌陷、车辙加深、裂缝、沉陷等情况。针对以往道路管理中面临的技术短板，管理单位可依托智慧城管技术，为城市道路建设监测预警系统。

1 城市道路塌陷原因分析

1.1 地质因素

我国各地的水文地质条件展现出多变性与复杂性的典型特征，各个城市的地质基础也各不相同。如不少地区在长期的构造运动与气候剧烈变化等自然因素的影响下，沉积厚度持续发生变化，沉积物经过数次交替进行的侵蚀与沉积活动，沙层粉土占比增加，同时还有丰富充足的地下水储备。竖向土层厚度变化幅度较大，常常出现多层组合与软硬交替的情况。地基承载力不足，导致道路过早发生塌陷与沉降的病害[1]。

城市地下水土流失问题日益加重，带来了越来越多的松散发育带与地下空洞，变形沉降带持续影响回填土路基的稳定性。道路因城市交通运输活动容易发生局部路段荷载量相对过大的情况，导致道路下方土体发生固结沉降现象。若前期道路建设工程中未使路基强度达到标准，也会在道路运营阶段诱发塌陷与沉降现象。地下管道在长时间使用的过程中，老化程度持续加重，管道破裂与渗透问题也是水土流失加重的重要原因，并导致土质更为疏松，空洞数量更多。

1.2 强降雨因素

强降雨是城市道路塌陷的重要诱发因素，7月至9月是多个地区集中发生道路塌陷事故的时间段，主要是因为进入夏季后降雨量大幅增加，气候异常变化使城市暴雨频繁出现。城市规划因素、工程建设因素也是影响当前城市排水的关键因素，包括城市内涝规划和城市其他规划之间的协调性不足，管网难度较高，城市地下空间中的治涝措施的效用较低等[2]。排水能力较弱的城市在遭遇极端天气后，有较大概率引发内涝。雨水在道路上大量淤积，持续浸泡道路，扩大了土壤的实际含水量，土质也因此而变得更加疏松。

1.3 施工因素

城市建设工程中的地下管线作业、地铁盾构作业与建筑基础施工等均会给土体带来程度不一的扰动，冲击土体内部平衡性，诱发土体变形与位移现象。部分施工单位在地基等施工活动中，对于地下原有管线的保护不到位，可能会使管道受损，形成泄漏与透水事故。若施工期间未加固周边土层，同时回填密度把控不到位，同样会造成地面塌陷。

2 当前道路病害信息采集方式以及存在的问题

2.1 采集方式

传统的道路病害采集方式包括日常巡检、定期巡检、专项检测等，通常由巡检人员驾驶专用巡检车辆巡查遍历路面，通过人工记录的方式在现场记录病害和事故信息，再返回巡检养护部门做后续处置。随着城市化进程的加快，城市的规模持续扩张，原始的使用人工方式的道路巡检管理方法已无法达到现代化城市发展的需求，急需科学规范的管理手段和方法，对城市的安全状况进行有效的监测，保障道路的正常运行。

2.2 存在的问题

2.2.1 养护需要进行大量的现场数据采集工作，道路管理和养护部门迫切需要运用新型手段和装备，对道路信息进行现场数据收集、录入、保存和远程传输。

2.2.2 缺乏统一的信息管理，道路桥梁隧道的重要数据还是以人工方式进行收集，并以传统的Excel表格方式和纸质档案来保存，从而对道路日常巡检养护、事故病害等信息进行管理与分析，为建设、养护、维护、加固提供决策依据。

2.2.3 城市数据普遍存在准确性和可信度较差，缺乏统一规范的数据标准和城市数据库，不能为养护部门，道路交通管理部门提供全面可靠的道路基础数据。

2.2.4 城市建设规模和数量的快速增加，养护过程中积累的大量数据资料急需进行科学化、信息化的管理和分析。

因此，当前的城市养护管理急需运用现代信息技术、大数据分析技术等，改变传统的管理模式和管理方式，设计开发具有网络化和空间可视化的城市智能道路病害采集分析系统，来对具有空间性的道路、桥梁、隧道的设施设备及其关键参数进行快速、准确、实时、高效的传输、存储和管理，以及可视化的查询、统计和空间分析，进而实现道路的科学化、信息化的管理与分析，提升道路管理与市政养护部门的管理水平与管理效率，为城市的规划、建设、管理和养护提供可靠全面的基础数据和科学的决策依据，为城市精细化管理提供支撑。

3 智慧城管视域下的城市道路监测预警系统设计要点

3.1 智慧城管的主要特点

智慧城管是各地城市管理部门全面提升城市管理工作的人性化、智能化、精细化水平的重要工具，也是落实“大城众管、大城管智、大城细管”管理模式的关键抓手。推进城市管理数字化与智能化建设时，城市管理部门可逐步实现分析、感知、指挥、服务以及监察五项功能一体化应用。通过建设城市综合化管理指挥中心、专项管理图、精准物联感知网、行业大数据系统以及管理政务云，持续完善智慧城管综合服务与管理平台[3]。在智慧城管体系下，城市管理部门可根据其管理职能范围来广泛获取可用数据并进行共享，保障城市管理决策的科学性与可行性，达成设施有效物联、精准立体感知、高效获取海量数据、共享数据资源、科学决策以保障信息安全的全新城管目标，依靠科技力量为城市居民建设安全、有序、整洁、干净的美好城市生活，打造宜业、宜游、宜居的高品质城市生活。

3.2 监测预警装备与系统架构

3.2.1 监测预警装备。①车载摄像头：360°高清摄像头，支持全彩高清视频录制、智能识别；②边缘智能一体机：控制采集设备运行，并对采集数据进行存储和预处理；③北斗/GPS多模天线：支持北斗、GPS、GLonass三模定位；④激光平整度仪：利用激光测绘，生成高精度的路面平整度信息；⑤里程编码器：对采集里程进行厘米级测定。

3.2.2 系统架构。

（1）数据层：主要用于各种原始道路数据采集、存储和传输，由软件和硬件配合，实现高清影像拍摄、多模GPS、惯性导航平整度等数据的高精度采集。

（2）技术层：主要用于原始数据的清洗、分析和AI识别。是核心人工智能算法对原始数据进行处理加工，生产结构化的病害信息关键环节。

（3）能力层：主要用于将原始病害信息，按照国家的评定标准，产生PQI、PCI等各种评定数据。

（4）应用层：对整体采集和数据分析工作进行管理。

（5）决策层：对数据进行整体分析和汇总，提取支持决策的信息。

3.3 系统建设内容

3.3.1 快速检测核心算法平台。道路路面病害检测算法平台，可利用视频、图像对路面病害进行快速、精准的智能化检测[4]。支持不同类型路面上多种主要病害的检测，如沥青路面的横裂、纵裂、龟裂、坑槽、修补缝等，以及水泥路面的裂缝、坑洞、破碎板、露骨等；具备抗干扰功能，可智能排除如树荫、水渍、车道标识线等常见的干扰物，提高检测精度；需支持病害破损程度评估，评估结果将为后续道路的维养决策提供支撑。

3.3.2 快速检测采集助手App。支持安装于安卓移动端，App包含数据采集、路段切换、设备状态监控、采集流程控制等模块功能。

（1）数据采集。支持自定义采集任务创建，支持道路视频信息、GPS信息等重要信息采集，支持App端查看采集地图路线。

（2）路段切换。App可支持根据采集过程的实际道路状况切换路段信息，包含沥青、水泥等普通道路。

（3）设备状态监控。App支持采集任务采集过程中采集设备状态监控，可及时发现采集问题等。

（4）采集流程控制。可灵活对采集过程进行暂停、中断、重启等控制。

3.3.3 快速检测病害识别管理系统。该系统为病害分析统一管理后台，用于路面病害分析，通过采集道路路面视频、GPS等多源数据,在平台上进行数据融合，利用算法平台分析病害长度及面积，并对各道路损坏情况进行统计分析，为道路维养提供决策支持。

病害识别管理系统主要包含数据管理、任务管理、病害分析、权限管理等模块功能。

（1）数据管理。根据道路病害采集App的任务，建立数据池并高效管理。支持道路采集的多源数据自定义上传，包含视频数据、GPS数据等，上传状态可监控，上传后数据列表可查看及筛选。

（2）任务管理。同步道路病害采集App端创建的任务，可在后台任务管理模块进行任务列表查看，各维度筛选查询等。支持采集任务过程监控数据可视化查询。可按照区域及时间维度，对各区域内的道路病害采集的结果数据，进行汇总并计算，并直观展现省/市/区/县的道路技术状况，为道路维养提供决策依据。

（3）病害分析。支持病害分析自动化，数据源上传后可自动调用算法平台进行病害分析，展示分析结果。支持查看病害详情，以及病害定位，便于维养人员快速定位病害所在位置。

（4）权限管理。通过系统设置安全规则或者安全策略，保障各层级用户之间数据的安全性。按照角色和用户的维度进行权限控制，可自定义配置系统功能权限的同时，需支持根据省市县进行区域数据权限控制。

3.4 运维管理体系与安全保障体系

首先，为确保城市道路预警与监测系统的正常运行，需要完整地建立一系列运行标准规范，包括运维管理规范、中心库建设规范、共享与交换信息资源操作标准以及采集信息资源标准。完成标准规范机制建设后，需对其内容进行专业化论证，而后必须严格执行[5]。其次，系统建设任务结束后，还应围绕资金、人员以及机构等核心要素，给系统编制能够长期使用的、内容规范科学、要求具体明确的运维管理机制，为该系统的长期使用、管理与维护提供必要的参考依据与刚性约束。最后，重视该系统的安全保障工作。可通过完善整体建设规划方案、优化信息安全管理策略、搭设安全技术框架，为系统防控网络信息安全风险提供可靠的支撑平台，保障道路预警与监测系统传递的信息的真实性与完整性。运行监测与预警系统期间必须引入安全保密技术并充分发挥其防范信息安全风险的作用，避免内部有保密要求的信息被窃取与违规利用。

4 结束语

道路塌陷问题若得不到及时解决，可能会造成人员伤亡、车辆损毁等事故，给社会造成极为恶劣的影响。因此，在道路管理工作中应高度重视道路塌陷风险。智慧城管为城市道路管理提供了先进化的技术支持与工作思路，相关部门可以物联网、数据分析、云平台等为基础，围绕当前的城市道路塌陷问题，构建实时监测与风险预警系统，科学部署硬件设施，持续优化系统架构，完善预警提示流程。日后还可针对道路积水、噪声、违规占用等其他问题，引入与应用智能化监测与预警技术。